§ 32 Общие свойства волн

Эффект Доплера: длина волны света, исходящего от приближающегося объекта, кажется короче, чем от удаляющегося.

– Как это можно пронаблюдать?

– Когда поедете вечером на машине, заметьте, что от машин, приближающихся к вам, идёт белый свет, а от удаляющихся – красный.

Шутка физиков

Интерференция

Рассмотрим, что произойдёт в какой-либо точке, если к ней одновременно придут две волны от двух различных источников (рис. 86). Неважно, какова будет природа этих волн, они могут быть звуковыми, электромагнитными или волнами на поверхности воды. Результат от этого не изменится. Предположим, что обе волны имеют одну и ту же частоту. Тогда амплитуда волны в точке их встречи будет зависеть от того, в какой фазе они туда придут. Если встретятся две вершины, то получится вершина с удвоенной амплитудой, если две впадины – впадина с удвоенной амплитудой. А если в точку придёт вершина от одной волны и одновременно с ней впадина от другой, то они взаимно погасят друг друга. Таким образом, если в точку всегда будут приходить волны в одинаковой фазе, мы получим в ней колебание с той же частотой, но с двойной амплитудой. Если же волны будут поступать в противофазе, мы вообще не получим в этой точке никаких колебаний. Конечно, между двумя этими крайними случаями существует много промежуточных. Результат сложения волн называют их интерференцией. В общем случае, если волны от двух источников встречаются в разных точках в различных фазах, то мы будем в некоторых местах наблюдать усиление волны, а в других её ослабление, т. е. увидим картину чередования минимумов и максимумов амплитуды волны, которая называется интерференционной картиной.

В некоторых случаях можно наблюдать интерференцию звуковых волн. Если на вращающейся доске укрепить два приспособления, издающие звук одной частоты, то, постепенно поворачивая доску, можно будет услышать, как звук становится то громче, то тише. Это происходит потому, что расстояние между источниками звука и вашим ухом меняется и звуковые волны иногда доходят до уха в совпадающих фазах, а иногда в противоположных. Соответственно их амплитуды или складываются, или вычитаются.

Рис. 86. Два источника колеблются с одинаковой частотой; в любую точку на поверхности воды приходят одновременно две волны (А). Если в точку K поверхности воды придут две волны, вершины которых совпадают, произойдёт усиленный подъём воды (Б). Для этого нужно, чтобы на отрезке MN укладывалось целое число (d) длин волн (Г). Затем вершины в точке K одновременно сменятся впадинами, и вода сильно опустится (В). Это будет в том случае, если на отрезке MN уложится нечётное число полуволн (Д)

Дифракция.

Помимо интерференции волны обладают ещё одним свойством: они могут огибать небольшие препятствия, встречающиеся на их пути. «Небольшие» означает, что эти препятствия должны ненамного превышать длину набегающей на них волны. Всем известно, что даже мелкие предметы отбрасывают тень, т. е. свет, встречая их на своём пути, не проходит дальше. В то же время, для того чтобы воспрепятствовать распространению звука, требуется предмет больших размеров, например гора или большой дом. Длина звуковой волны в среднем равна нескольким метрам, что вполне соизмеримо с небольшими домами или другими предметами. Поэтому такие предметы не мешают слышать, что происходит за ними, т. е. не отбрасывают звуковой «тени». Явление огибания препятствий распространяющимися волнами называют дифракцией.

Дифракцию можно наблюдать, поставив на пути распространения волн в бассейне или расположив против луча света экран с маленьким отверстием. Пройдя через отверстие, волны не продолжают своего движения прямолинейно, а расширяются, т. е. отверстие как бы порождает новые волны. Происходит это из-за того, что волны не упираются в края отверстия, а огибают их. Если отверстие сделать достаточно малым, то оно будет вести себя в точности как новый источник волн. Наблюдая за распространением света, итальянский физик и астроном Франческо Гримальди открыл в XVII в. явление дифракции и дал ему это название. Именно он впервые предположил, что свет является волной:

«Как вокруг камня, брошенного в воду, образуются волны, так и препятствие, помещённое на пути света, порождает в световом флюиде волны, отклоняющиеся за отверстием».

Он же впервые высказал предположение о связи цветного зрения с частотой колебания света.

Рис. 87. Эффект Доплера (пояснения в тексте)

Эффект Доплера

Существует ещё одно явление, характерное для всех волн и имеющее большое практическое значение. Это явление называют эффектом Доплера (рис. 87) в честь предсказавшего его в 1842 г. австрийского физика Кристиана Доплера (1803–1853), изучавшего движение тел – источников звука или света.

Вспомните, когда проносящийся мимо вас поезд или машина с сиреной достигают ближайшей к вам точки, а затем начинают удаляться, вы слышите, как высота издаваемого ими звука резко снижается. Это происходит потому, что от источника звука в вашем направлении движутся звуковые волны. Когда издающий звук предмет приближается к вам, каждая следующая волна возникает в более близкой к вам точке, чем предыдущая. Поэтому она достигает ваших ушей чуть раньше, чем если бы источник звука был относительно вас неподвижен. Волны как бы сжимаются, приобретая более высокую частоту, чем изначально издаваемый звук. И наоборот, когда поезд или автомашина удаляются от вас, каждая следующая волна запаздывает по отношению к предыдущей и воспринимаемая слухом звуковая волна снижает свою частоту, в результате звук воспринимается как более низкий.

Эффект Доплера остаётся справедливым и для электромагнитных волн. В частности, он используется в радарных устройствах, применяемых сотрудниками инспекции дорожного движения для определения скорости автомобилей. Пистолет-радар излучает сигнал в области ультракоротких радиоволн, который отражается от металлического кузова машины и поступает обратно на радар, но уже с доплеровским изменением частоты. Зная разницу между частотой, испущенной радаром, и частотой, им принятой, прибор точно определяет скорость автомобиля и показывает её на экране.

Доплером было показано, что при приближении источника света к наблюдателю частота световых колебаний представляется ему больше, чем при неподвижном источнике, т. е. цвет излучения смещается в сторону ультрафиолета. Если же источник удаляется от наблюдателя, то цвет смещается в красную сторону спектра. В дальнейшем методы, основанные на эффекте Доплера, стали широко применяться в астрофизике для изучения движения звёзд. Этот эффект является причиной красного смещения, с помощью которого было установлено, что Вселенная расширяется и галактики разбегаются. Открытие красного смещения принципиально изменило взгляды на происхождение и эволюцию Вселенной, о чём будет рассказано в дальнейшем.

Проверьте свои знания

1. Какие процессы могут происходить в результате интерференции?

2. Как называется явление огибания препятствий распространяющимися волнами?

3. На основании какого явления Франческо Гримальди в XVII в. предположил, что свет обладает волновыми свойствами?

4. В чём проявляется эффект Доплера?

Задания

Налейте в широкий плоский сосуд немного воды. Погрузите в воду возле одной из стенок сосуда две палочки и постепенно покачивайте ими по очереди или одновременно с различной частотой. Пронаблюдайте, как будет изменяться картина распространения волн по сосуду.